电热循环次数对光纤传感器封装材料的耐久性试验研究*

饶 兰， 刘永莉， 肖衡林， 黄思璐

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430064)



电热循环次数对光纤传感器封装材料的耐久性试验研究*

饶 兰， 刘永莉， 肖衡林， 黄思璐

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430064)

针对电热循环次数对光纤耐久性的影响，选取英国进口光纤，采用循环通电加热光纤金属铠的室内试验，获得了不同电热循环次数下光纤的拉力—位移曲线，得到不同电热循环次数下光纤金属铠最大抗拉力；分析了光纤极限抗拉力—加热循环次数关系，得到光纤金属铠耐久性推算公式。研究结果表明：随着电热循环次数的增加，光纤金属铠最大抗拉力不断减少且减少的速度越来越快。研究结果对相应工程合理选择与之耐久性相适应的传感光纤有重要的指导意义。

光纤； 金属铠; 耐久性； 电热循环次数； 试验

0 引 言

光纤传感器由于具有耐腐蚀、抗电磁干扰、长距离和高精度等诸多优点[1,2]，在军事、航空、民用建筑健康监测、冶金、能源化工领域、温度监测报警系统等方面具有广阔的应用前景，近十几年来一直是国内外的研究热点[3～5]。国内外关于光纤传感领域的发展可分为两大方向：光纤传感技术的研究及其在各个领域的应用开发研究[6]，然而关于光纤材料耐久性方面的研究却很少。

裸光纤外形纤细，外径约为125 μm，质地特别脆弱，抗剪能力差，难以直接用于工程监测，因此需要对光纤进行封装保护[7]。光纤封装材料可分为金属材料和非金属材料，金属材料一般为铜和铝等，非金属材料一般为环氧树脂、硅橡胶等[8，9]。封装后的光纤传感器可以看作由传感基体、光纤光栅、封装部分等构成的有机整体，而使光纤传感器丧失稳定性和可靠性的最主要影响因素是封装材料的失效。随着使用时间的增长和环境的变化，金属材料会渐渐锈蚀，非金属材料会渐渐老化，再加上光纤传感器工作环境的恶劣性，如酸雨、土壤、混凝土等酸碱性，温度变化，干湿变化，菌虫，电化学，冻融循环等，势必会加剧老化的速度，影响传感器的寿命。孟汇等人[10]通过酸碱加速试验,得出不同封装材料的光纤光栅在酸碱环境下耐久性不同，并对其寿命进行了预测。

大型工程一般体积巨大且使用年限长，光纤传感器埋入其结构内部，难以更新替换[11]。一旦光纤过早地出现耐久性问题，不但会影响监测的结果，严重的还会危及人民的生命财产安全，所以，对光纤耐久性研究十分必要。

本文通过室内试验，对电热循环次数对光纤传感器封装材料金属铠耐久性的影响进行了研究。得到了不同电热循环次数下光纤金属铠最大抗拉力，确定了受电热循环次数影响的光纤金属铠耐久性推算公式。这对工程监测中光纤传感器合理选择具有重要意义和参考价值。

1 室内试验

1.1 试验原理

光纤在工作状态下，通常会不断通电加热，非工作状态则停止加热。因此，在长期的电热循环过程中，封装保护层，特别是金属材料就会产生劣化，从而影响光纤耐久性。因此，电热循环次数对光纤金属铠耐久性有重要影响。假如光纤在无不良条件，如酸碱性、温度、干湿变化等的环境下工作，影响光纤耐久性仅为电热循环次数，因此，可以认为其耐久性指标主要由强度来控制，于是可以用抗拉力来评价其耐久性。

1.2 试验设计

试验采用50/125英国进口铠装光纤，纤芯为SiO2，包层为不锈钢金属铠，涂覆层为塑料保护层。在恒温环境下进行，采用型号为TDGC2—5的高精度高功率调压仪对光纤通电加热，假设光纤受热过程中对恒温室环境温度没有影响，在电热之前将光纤连接分布式光纤测温仪，测得光纤温度与恒温室温度相同。对光纤进行电热处理，设置加热功率为13 W/m，加热时间为15 min，通电加热完成后冷却至初始温度，通过分布式光纤测温仪可以读出光纤温度。冷却后的光纤重复以上操作，以此为一个电热循环来模拟电热次数对光纤强度的影响。循环次数选择0～256次。

剥掉电热后的光纤表面黄色塑料保护层，保留光纤金属铠。分别对电热循环0，2，4，8，16，32，64，128，160，192，256次的光纤金属铠进行受载拉伸试验，试验仪器为带微机处理器的电子拉力机。

2 试验结果与分析

通过上述试验，取出典型的受载拉伸试验数据进行分析。图1为不同电热循环次数下光纤的拉力—位移曲线。由图1电热循环8，64，256次的3组拉力—位移曲线可以很清楚地看出，3组试件的拉力随着电热循环次数的增加而不断减少。电热循环8，64，256次的3组试件拉力—位移曲线的形状类似。不同电热循环次数下拉力—位移曲线分为：拉力随位移快速增长阶段(原点到a点)；拉力随位移缓慢增长阶段(a到b点)；拉力保持不变阶段(b点以后)。在快速增长阶段，拉力与位移成正比。在电热循环8,64,256次 3组的位移基本保持在28 mm，说明金属铠的延续基本没有发生变化。

由表1可得出：随着电热循环次数的增加光纤金属铠极限抗拉力不断下降。0～4次范围内，光纤金属铠极限抗拉力没有变化。在加热循环4次后，极限抗拉力开始下降，到第8次循环时，抗拉力下降了1.3 %；在8～32次循环范围内，极限抗拉力一直保持为原始极限抗拉力的98.7 %；循环加热64次后，极限抗拉力下降速度变快，下降了26.2 %；循环加热次数达到256次时，极限抗拉力降为0.516 7 kN，比初始抗拉力的50%还少。

图1 不同电热循环次数下光纤的拉力—位移曲线

表1 不同电热循环次数光纤极限抗拉力

为了进一步推演光纤的抗拉力，以指数函数y=a·ebx对其进行拟合，得到拟合曲线,如图2所示。

图2 极限抗拉力与电热循环次数关系曲线及指数拟合曲线

该模拟曲线方差为R2=0.965,相当接近1。所以用曲线y=1.056 7e-0.003x来估算光纤在不同电热循环次数下的极限抗拉力是可行的。以该式计算，当循环次数为500次时，极限抗拉力为0.236kN；当循环次数为2 500时，极限抗拉力为0.58N(比一根头发丝断裂强力还小)，此时极限抗拉力仅为原始的0.005 5 %，在微小工程扰动下，就可能发生断裂，不再适用于工程监测。因此加热次数越多，光纤金属铠的极限抗拉力越小。

3 结 论

1)周而复始的电热循环，会使光纤金属铠保护层产生劣化，进而对光纤的耐久性产生影响。

2)电热循环次数越多，光纤金属铠保护层抗拉力越小，其耐久性能越差。

3)光纤在实际工程应用中，应考虑到这些因素的影响。当光纤需要长期电热循环时，可预先估算光纤所需的最小拉力，从而选择与结构所需检测时间相适宜的光纤类型。

[1] 吴 刚，刘月明，楼俊.光纤水质传感器的研究现状和发展趋势[J].传感器与微系统，2012,31(10):6-8.

[2] 范 萌，刘永莉，肖衡林,等.光纤测温技术在断桩检测模型试验中的应用[J].传感器与微系统，2015,34(12):153-155.

[3] 卢一鑫，杨璐娜.光纤传感器的应用现状及未来发展趋势[J].科技信息，2011(3):113-114.

[4] 何存富，杭利军，吴 斌.分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用[J].传感器与微系统，2006,25(9):8-11.

[5] 徐国权，熊代余.光纤光栅传感技术在工程中的应用[J].中国光学，2013,6(3):306-317.

[6] 侯俊芳，裴 丽，李卓轩,等.光纤传感技术的研究进展及应用[J].光电技术应用，2012,27(1):49-53.

[7] 周 智，赵雪峰，武湛君,等.光纤光栅毛细钢管封装工艺及其传感特性研究[J].中国激光，2002,29(12):1089-1092.

[8] 何 伟，徐先东，姜德生.聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度传感器及其低温特性[J].光 学学报，2004,24(10):1317-1319.

[9] 于秀娟，余有龙，张 敏,等.铜片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究[J].光子学报，2006,35(9):1325-1328.

[10] 孟 汇.光纤光栅传感器酸碱耐久性研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[11] 吴永红，邵长江，屈文俊,等.大型工程长期健康监测用FBG应变传感器的研究[J].光电子·激光，2010,21(4):481-484.

刘永莉，通讯作者，E—mail:maryroseli@126.com。

Experimental research on durability ohmic heating cycle index for fiber-optic sensor package material*

RAO Lan, LIU Yong-li, XIAO Heng-lin, HUANG Si-lu

(School of Civil，Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430064,China)

Aiming at effect of ohmic heating cycle times on durability of optical fiber,select optical fiber imported from Britain,laboratory test by circulated ohmic heating metal-clad optical fiber,obtain pull-displacement curve of optical fiber under different ohmic heating cycle times,the maximum tensile resistance of metal-clad optical fiber under different ohmic heating cycle times is obtained.Relationship between ultimate tensile resistance of optical fiber and ohmic heating cycle times is analyzed,durability of optical fiber prediction equation is obtained.Research result indicates that with the increase of ohmic heating cycle times,metal-clad optical fiber maximum tensile resistance continues to decline at an increasingly rapid pace.The results has an important guiding significance to the corresponding project make a reasonable choice to detect sensing optical fiber with same durability.

optical fiber; metal-clad; durability; ohmic heating cycle times; test

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0068—02

2016—07—20

国家自然科学基金资助项目(51578219) ; 湖北工业大学高层次人才项目(BSQD12054)

TU 473

A

1000—9787(2017)07—0068—02

饶 兰(1990-) ，女，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感研究。